Lazerio nano graviravimas įveikia difrakcijos ribą

Lazerio nano graviravimas įveikia difrakcijos ribą

Vasilijus Птушенко, Kandidatas fizikinių ir matematinių mokslų
Aleksandras Шахов, Kandidatas fizikinių ir matematinių mokslų
Artetas Astafevas Kandidatas fizikinių ir matematinių mokslų
Viktoras Надточенко, Chemijos mokslų daktaras, profesorius
Chemijos fizikos institutas anksčiau
"Kommersant Science" №1, vasaris 2017

Šviesos intensyvumo paskirstymas šviesos šaltinio tikslumo židinio plokštumoje: homogeninėje terpėje (a), už silicio (b) arba polistireno (c) mikrosferos vandenyje. Parodyta intensyvumas spalvos pasikeitimas iš juodos ir mėlynos spalvos (mažiausias intensyvumas) raudonai ir baltai (didžiausias intensyvumas). Paveikslėlis: Shakhov, A. M., Astafiev, A. A., Plutenko, D. O., Sarkisov, O. M., Shushin, A. I., Nadtochenko V.

Cheminės fizikos instituto Rusijos mokslų akademijos nanobiofotonikos laboratorijoje buvo gauti perspektyvūs rezultatai paviršių mikro- ir nano-traukimo srityje, naudojant impulsų lazerio spinduliavimą.

Daugelyje technologijų sričių reikia sukurti tam tikrą mikroreliefą. Tai reikalinga mikrofluidikinių grandynų, optinių mikrosensorių, optinių integruotų grandinių arba jų elementų gamybai: fotoniniai kristalai, bangolaidžiai, mikrolazers.

Tokio darbo sudėtingumas yra tas, kad taikant graviūrą ir kontroliuojant rezultatą optiniais metodais, jų tikslumas (erdvinė raiška) riboja vadinamoji difrakcijos riba.

DIFRACIJOS RIBAS

Kasdieniniame gyvenime objektai, kuriuos matome, turi daugiau ar mažiau kontrastingus kontūrus, o šviesos ir šešėlių pasiskirstymas suteikia idėją apie objekto formą ir net jo paviršiaus tekstūrą. Visa tai įmanoma tik todėl, kad šviesa, kuri vaidina "zondo" vaidmenį mūsų regėjimo suvokime, turi labai trumpą bangos ilgį.

Priešais kliūtimi, kurio matmenys yra panašūs į bangos ilgį, šviesa pasisuks aplinkui, prasiskverbusi į geometrinio šešėlio plotą (šis reiškinys iš pradžių vadinamas difrakcija). Pasirenkant siaurajame plyšyje, šviesa skirsis skirtingomis kryptimis, o ne tik originalaus judesio kryptimi. Du taškai, nuo kurių ateina šviesa, bus beveik neatskiriami, jei atstumas tarp jų yra mažesnis nei pusė bangos ilgio. Šis atstumas vadinamas difrakcijos riba.

Kitais žodžiais tariant, gebėjimas atskirti du tarpusavyje suskirstytus taškus vienas nuo kito nulemia optinio prietaiso savybės, o pats šviesos savybės.Beje, tai yra viena iš priežasčių, kodėl dažniausiai naudojama trumpųjų bangų spinduliuotė fizikinių tyrimų metu – ultravioletinių arba rentgeno spindulių diapazone. Matoma šviesa erdvinės skiriamosios gebos riba yra apie 200-400 nm.

Prie lauko optikos

Todėl apibūdinta problema kyla dėl to, kad šviesa turi bangų savybes. Pereinant prie mažų erdvinių svarstyklių, šviesa nėra begališkai plonų tiesiosios spindulių spinduliuotės, kurios atspindi ir lūžta aiškiai apibrėžtais kampais, bet bangos, kurios skiriasi visomis kryptimis, pvz., Apskritimai vandenyje.

Fizikoje tai vadinama perėjimu iš geometrinės optikos į bangų optiką. Tačiau bangų optika taip pat yra ribojantis reiškinių bendrojo elektromagnetinio apibūdinimo atvejis. Jis veikia dideliais atstumais nuo spinduliuotės šaltinio, vadinamame tolimajame lauke. Greta šaltinio (kaip bet kokioje optikoje bus bet koks paviršius, atspindintis šviesą), vadinamame artimame lauke, elektros ir magnetinių laukų pasiskirstymas priklausys labai skirtingiems įstatymams.

Artimiausias laukas yra gerai ištirtas radiofizikoje, kur jis gali būti metrų ar daugiau aplink spindulinę anteną ir yra palyginti lengvai prieinamas tyrimams.Labai idėja, kad naudojant optikos mikroskopijos metodus artimųjų lauko fizikos principai prasideda 1920-aisiais. Tačiau tik 80-ųjų pradžioje buvo gauti pirmieji optiniai vaizdai, kurių skiriamoji geba buvo 20 kartų mažesnė už bangos ilgį.

Kvarciniai mikrolenzai

Bazinės lauko optikos principai gali būti taikomi ne tik siekiant gauti mikroskopinius paviršiaus vaizdus, ​​bet ir atvirkščiai – sukurti elektromagnetinių laukų paskirstymą – jo apdorojimui. Tuo tikslu mes panaudojome kvarcinius mikrobakus, kurių dydis yra apie 1 mikroną, lyginant su lauko mikrolenzais.

Kvarco mikrobukų gamyba (stiklo mikrosferos) prasidėjo 1950-aisiais. Paprasta ir pigi gaminti, dabar jie naudojami įvairiais tikslais naftos ir kalnakasybos pramonėje, dažų ir statybinių medžiagų, kosmetikos ir įvairių vartojimo prekių gamyboje. Nedideli mikrosferelių skersmens ir sferiškumo variantai neturi įtakos gautų vaizdų raiškumui ir tikslumui.

Pažymėtina, kad šie rutuliai gali būti užfiksuoti lazerio spinduliuote: ultragarsu (daugiau kaip 80 MHz) impulsinė lazerio spinduliuotė, dielektrinė kvarcinė dalelė įeina į intensyviausio elektromagnetinio lauko zoną lazerio spindulyje.Pastaraisiais metais šis poveikis buvo plačiai naudojamas įvairiose mokslo ir technologijų srityse ir yra žinomas kaip "lazeriniai pincetai" arba "optinė spąstai". Mūsų atveju tas pats lazerio spindulys gali būti naudojamas tiek paveikti paviršiaus medžiagų, tiek kontroliuoti kvarcinę dalelę.

ICP – Cheminės fizikos instituto anglų pavadinimo santrumpa. N. N. Semenova, kuri sukūrė reljefinio atvaizdo ant paviršiaus (stiklo, safyro, polimero plėvelių) metodą, naudojant lazerio spinduliavimą, sutelktą silicio mikrosferomis (parodyta diagramoje). Paveikslėlis: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Fotografija šalia lauko

Spinduliuotės intensyvumo pasiskirstymas šviesos vietoje, gautas artimoje tokio mikrolenso lauke, turės pastebimą gradientą (žr. Paveikslą). Galima pasirinkti spinduliuotės parametrus (intensyvumą, impulsų trukmę ir kai kuriuos kitus), kad lazerio spinduliuotės srityje būtų reikalingas terminis, termocheminis ar fotocheminis poveikis medžiagai. Be to, šio regiono dydis gali būti daug mažesnis už difrakcijos ribą.Mes jau sugebėjome sumažinti regiono, kurį galime apdoroti lazerio spinduliuote, dydį iki 1 / 8-1 / 11 bangos ilgio, o ne "standartinę" ribą 1/2.

Šiuo atveju lazeris neuždega jokioje jos apšviesto paviršiaus dalyje, bet lemia jo cheminę modifikaciją. Pvz., Jei mes įtakojame spinduliavimą ant kvarco paviršiaus (atstovaujančio silicio oksidą, SiO2), tada ji praranda deguonies. Pirma, apdorojus kvarco paviršių lazeriu, matomos mikro-mikrofotografijos (esant lazerio pluošto ekspozicijai) arba mikroskopai (palei lazerio spindulį). Tai atsitinka dėl terminio kvarco išsiplėtimo ir jo "virimo" atsiradimo deguonies metu. Ir tik po tolesnio tepalo su šarmu, kuris išplauna silicį, skylės atsiranda kvarco mikroreljefyje vietoje smailių ir tranšėjos vietose velenų (žr. Paveikslą).

Medžiagos paviršius po apdorojimo lazerio spinduliuote (a) ir vėlesnį etching su šarmu (b), KOH – kalio hidroksidas, dar vadinamas šarminiu kaliu. Paveikslėlis: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Atsižvelgiant į erdvinę rezoliuciją (dešimtys nanometrų), mūsų metodas turėtų būti vadinamas nanografija (moksliniame leksikone dažnai naudojamas terminas "nanostruktūra").Šiuo metu paviršiaus struktūrizavimas tokiose erdvinėse svarstyklėse yra įmanomas tik naudojant joninę arba ultravioletinę litografiją, tačiau šios technologijos yra nepalyginamai brangesnės ir sunkiau naudojamos. Čia aprašyta technologija atveria plačias galimybes kurti visiškai naują kryptį, vadinamą Lab-on-a-chip ("laboratorija ant lusto"), ir pastaruoju metu ji buvo labai paklausi ne tik mokslo, bet ir, pavyzdžiui, medicinos užduotims.

Ultravioletinė litografija – dengimas polimero šviesai jautrios medžiagos (fotorezistoriaus) paviršiumi, kuris ultravioletinių spindulių poveikio metu tampa tirpus ir šalinamas tirpikliu. Naudota "giliai" (giliai violetinė, DUV) arba "sunku" (ekstremali ultravioletinė, EUV) ultravioletinė spinduliuotė, kurios bangų ilgiai yra atitinkamai maždaug 200 nm arba 13,5 nm. Technologija užtikrina iki kelių nanometrų skiriamąją gebą. Yra keletas trūkumų: sudėtinga ir didelė kaina, kai EUV gaunama pakankamai didelė galia, EUV absorbcija beveik bet kokiomis medžiagomis, įskaitant optinių grandinių komponentus, poreikis dirbti vakuume.

Jonų (arba jonų pluošto) litografija – vaizduojant ant paviršiaus naudojant jonų sijas, paprastai, protonus ar alfa daleles. Dėl didelės medžiagos jautrumo švitinimui dėl santykinai didelių įkraunamų dalelių srauto, tai leidžia atsisakyti polimero fotorezistoriaus naudojimo. Suteikia rezoliuciją iki 10 nm.

Mikrofluidika (mikrohidrodinamika) – Mokslo apie skysčių elgesį mikro ir nanospatial skalėse. Pagrindinės taikymo sritys yra mažo dydžio techniniai įrenginiai (pavyzdžiui, rašaliniai spausdinimo įrenginiai), medicina ir molekulinė biologija.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: